LiAlH4 en NaBH4 Carbonylreductiemechanisme
Alcoholen kunnen worden bereid uit carbonylverbindingen zoals aldehyden, ketonen, esters, zuurchloriden en zelfs carboxylzuren door hydride-reducties. Deze reducties zijn het resultaat van een netto toevoeging van twee waterstofatomen aan de C=O-binding:
De meest voorkomende hydride-reductiemiddelen zijn het lithiumaluminiumhydride (LiALH4), ook wel afgekort als LAH, en natriumborohydride (NaBH4):
Het principe achter de hydride-reductiemiddelen is de aanwezigheid van een polaire covalente binding tussen een metaal en waterstof. Door de hogere elektronegativiteit heeft de waterstof een hogere elektronendichtheid, waardoor hij uiteindelijk als hydride-ion reageert:
Bijv. de Al-H-binding in LiAlH4 is zo polair dat hij een bijna ionisch karakter heeft, waardoor de waterstof als hydride-ion overblijft, dat zowel als base als nucleofiel zeer reactief is:
Hydride-ion reageert met de carbonylgroep, die op zijn beurt ook weer een polaire covalente binding is en de aanwezigheid van de π-binding maakt de H- additie mogelijk:
LiALH4 is een van de krachtigste reductiemiddelen die efficiënt werken op elke carbonylgroep en ook op sommige andere functionele groepen.
Door deze hoge reactiviteit van het hydride-ion in LiAlH4 is het onverenigbaar met protische oplosmiddelen. Het reageert bijvoorbeeld heftig met water en daarom worden LiAlH4-reducties uitgevoerd in droge oplosmiddelen zoals watervrije ether en THF.
NaBH4 daarentegen is niet zo reactief en kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor een selectieve reductie van aldehyden en ketonen in aanwezigheid van een ester:
Merk op dat LiALH4 en NaBH4 aldehyden en ketonen reduceren tot respectievelijk primaire en secundaire alcoholen. Esters daarentegen worden door LiALH4 omgezet in primaire alcoholen.
Zoals gezegd fungeren beide reagentia als een bron van hydride (H-) dat als nucleofiel de koolstof van de carbonyl C=O binding aanvalt en in de tweede stap wordt het resulterende alkoxide-ion geprotoneerd om een alcohol te vormen.
Er zijn echter enkele verschillen afhankelijk van het reagens en om die te bespreken, beginnen we met het mechanisme van LiAlH4-reductie:
De hydride-additie aan het carbonyl wordt ook gekatalyseerd door het lithiumion dat als Lewiszuur fungeert door te coördineren met de carbonylzuurstof. Hierdoor neemt de elektronendichtheid op de zuurstof af, waardoor de C=O-binding vatbaarder wordt voor een nucleofiele aanval.
Het resulterende alkoxidezout kan reageren met het AlH3 en dit omzetten in een andere bron van hydride. Omwille van de eenvoud tonen wij echter meestal slechts één additie aan het carbonyl, gevolgd door een protonering van het alkoxide met water of waterige zure oplossingen, waardoor het eindproduct alcohol ontstaat.
NaBH4-reductie van aldehyden en ketonen – Het mechanisme
Natriumborohydride reduceert aldehyden en ketonen volgens een soortgelijk mechanisme met enkele belangrijke verschillen die we moeten vermelden.
Eerst is NaBH4 niet zo reactief en wordt de reactie gewoonlijk uitgevoerd in protische oplosmiddelen zoals ethanol of methanol. Het oplosmiddel heeft hier twee functies:
1) Het dient als bron van een proton (H+) zodra de reductie is voltooid
2) Het natriumion is een zwakker Lewiszuur dan het lithiumion en in dit geval dient de waterstofbinding tussen de alcohol en de carbonylgroep als katalysator om de carbonylgroep te activeren:
Omdat NaBH4 niet erg reactief is, is het niet sterk genoeg om met esters te reageren. En dit heeft ook te maken met de reactiviteit van de ester. In het algemeen zijn aldehyden en ketonen de meest reactieve carbonylverbindingen (na zure chloriden die vanwege hun reactiviteit alleen als reagens en niet als eindproduct worden gebruikt).
Dit hebben we ook gezien in de Grignard-reactie. Aldehyden en ketonen zijn reactiever dan esters omdat de elektrofiliciteit van het koolstofatoom van de ester gedeeltelijk wordt onderdrukt door het lone paar van de zuurstof door middel van resonantiestabilisatie:
Door de resonantiestabilisatie is het C=O koolstofatoom in de esters niet elektrofiel en kan NaBH4, dat niet erg reactief is, het niet aanvallen.
Dat is ongeveer de relatie tussen NaBH4 en ester. Laten we nu eens kijken hoe de reductie van esters door LiAlH4 in zijn werk gaat.
Het mechanisme van LiAlH4-reductie van esters
De reductie van een ester tot een alcohol vereist twee hydride-addities aan de carbonylgroep en daarom wordt een overmaat aan LiAlH4 gebruikt:
Dit komt doordat het tetrahedrale tussenproduct dat na de eerste hydride-additie wordt gevormd, een vertrekkende groep bevat die eruit wordt getrapt, waardoor de carbonylgroep weer wordt gevormd:
De nieuw gevormde carbonylgroep is een aldehyde en deze is reactiever dan de ester, en wordt dus nog een keer aangevallen door LiAlH4:
Dit lijkt weer erg op wat we zagen in de Grignard-reactie van esters. Ja, het methoxide-ion is geen geweldige vertrekkende groep zoals we kennen van E2- of SN2-reacties. Het is echter nog steeds een zwakkere base dan het hydride-ion en bovendien is het tetrahedrale tussenproduct met twee oxygenen en een negatieve lading zeer onstabiel en is het energetisch gunstig om het methoxide te verdrijven.
Het mechanisme van LiAlH4-reductie van carboxylzuren
De reductie van carboxylzuren vereist ook een overmaat LiAlH4. De eerste reactie tussen een carbonzuur en LiAlH4 is eenvoudigweg een Brønsted-Lowry zuur-base reactie:
Het resulterende carboxylaat is vrijwel onreactief vanwege de hoge elektronendichtheid en dit is de reden waarom reductie van carbonzuren moeilijker is en meer dwangvoorwaarden vereist. Een goed alternatief hiervoor is het gebruik van boraan, dat alleen efficiënt is voor de reductie van carbonzuren en amiden.
Terug naar LiAlH4. Ondanks de lage reactiviteit van het carboxylaat-ion treedt de hydride-additie wel op:
De negatief geladen zuurstof wordt vervolgens omgezet in een vertrekkende groep door te coördineren met aluminium. Dit wordt eruit geschopt door de lone paren van de andere zuurstof die de C=O π binding herstellen en het resulterende aldehyde wordt gereduceerd, net zoals we hierboven hebben gezien.
De stereochemie van LiAlH4- en NaBH4-reductie
De reductie van onsymmetrische ketonen met LiAlH4 of NaBH4 levert een paar stereoisomeren op omdat het hydride-ion beide kanten van de planaire carbonylgroep kan aanvallen:
Als er geen andere chirale centra aanwezig zijn, is het product een racemisch mengsel van enantiomeren.
Alcoholen uit katalytische hydrogenering
Een andere veelgebruikte methode om alcoholen te bereiden uit aldehyden en ketonen is de katalytische hydrogenering:
Houd in gedachten dat katalytische hydrogenering de methode was om alkynen te reduceren tot alkenen of alkanen, afhankelijk van het specifieke reagens. En dit is de reden waarom hydride reducties met LiAlH4 en NaBH4 de voorkeur genieten wanneer er meerdere functionele groepen in het molecuul aanwezig zijn.
Het uitvoeren van katalytische hydrogenering van de volgende onverzadigde aldehyden en ketonen reduceert bijvoorbeeld de C=C binding samen met de carbonyl, terwijl LiAlH4 en NaBH4 deze intact laten en alleen de carbonylgroep wordt omgezet in een alcohol.
Een overzicht voor alcoholreductiereagentia
Naast LiAlH4 en NaBH4 zijn er honderden verschillende hydridenreductiemiddelen, ontworpen voor specifieke scenario’s en combinaties van functionele groepen in het molecuul. Ze hebben allemaal hun voor- en nadelen. Het is onmogelijk om dit in een enkel artikel te behandelen en de meeste van hen vallen buiten het bestek van de meeste bachelorprogramma’s.
Hieronder staat echter een samenvattend schema voor de reducties van carbonylverbindingen tot alcoholen die je waarschijnlijk moet kennen:
Als je deze leert, ga dan naar de volgende oefenopgaven voor de reductie van carbonylverbindingen tot alcoholen:
Alcoholen uit reducties van carbonylverbindingen – Oefenopgaven
Check Also
- Nomenclatuur van Alcoholen: Benoemen van alcoholen op basis van IUPAC-regels met oefenopgaven
- Voorbereiding van alcoholen via substitutie- of additiereacties
- Reactie van alcoholen met HCl, HBr en HI-zuren
- Mesylaten en Tosylaten als goede verlatingsgroepen
- SOCl2 en PBr3 voor omzetting van Alcoholen in Alkylhalogeniden
- De Williamson Ether Synthese
- POCl3 voor dehydratie van alcoholen
- Alcoholen in substitutiereacties met tonnen oefenproblemen
- Dehydratie van alcoholen door E1 en E2 Eliminatie
- LiAlH4 en NaBH4 Carbonylreductiemechanisme
- Alcoholen uit Carbonylreducties – Praktijkopgaven
- Grignard Reactie in Bereiding van Alcoholen met Praktijkopgaven
- Grignard Reactie in Organische Synthese met Praktijkopgaven
- Beschermende Groepen Voor Alcoholen en Hun Gebruik in Organische Synthese
- Oxidatie van Alcoholen: PCC, PDC, CrO3, DMP, Swern en dat alles
- NaIO4 oxidatieve splitsing van diolen
- Oxidatieve alcoholreacties met praktische problemen